Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFReibungsverluste minimieren: Design und Synthese eines Schmierstoffadditivs
Sternpolymer als hochviskose Flüssigkeit
PROMETHEUS - Sternpolymere als Schmierstoffadditive
Schmierstoffe dienen zur Reduktion von Reibung und Verschleiß in bewegten Maschinenteilen. Eine verminderte Reibung leistet dabei einen wesentlichen Beitrag zur Einsparung von Energie und zu einem verminderten Ausstoß von CO2. Neben der Auswahl geeigneter Grundöle ist der Einsatz von Schmierstoffadditiven eine essenzielle ergänzende Maßnahme zur Minimierung von Reibverlusten. Solche Reibungsverbesserer (engl. friction modifier, FM) können beispielsweise grenzflächenaktive Polymere sein, die eine schützende Polymerschicht auf der Oberfläche bilden.
Polymere als reibmindernde Schmierstoffadditive
Bei der Formulierung eines Schmierstoffs gerät man schnell in einen Zielkonflikt: Im hydrodynamischen Bereich (geringe Lasten und hohe Geschwindigkeiten) führen niedrigviskose Öle zu geringen Reibverlusten. Bei höheren Lasten oder niedrigen Geschwindigkeiten kann dies jedoch zu stärkerem Verschleiß führen. Polymere auf der Oberfläche können diesem Verschleiß entgegenwirken. Allerdings bewirken im Schmierstoff gelöste Polymere eine Viskositätserhöhung, was dann wiederum bei geringen Lasten und hohen Geschwindigkeiten einen höheren Reibungsverlust verursacht.
Die Aufgabe des Fraunhofer LBF im vom BMWK geförderten Projekt PROMETHEUS war es daher, ein Polymer zu entwickeln und zu synthetisieren, dass einerseits ein ausgeprägt adhäsives Verhalten auf der Oberfläche zur Ausbildung eines Schmierfilms aufweist. Andererseits sollte es eine möglichst geringe Verdickerwirkung aufweisen.
Design und Synthese der Schmierstoffadditive
Die Lösung des Problems war die Synthese von Sternpolymeren mit funktionellen Gruppen, die attraktive Wechselwirkungen zur Oberfläche aufweisen.
Die Viskositätserhöhung einer Lösung, die von einem darin gelösten Polymer ausgeht, ist unter anderem eine Funktion des Volumens, das ein einzelnes Polymer in dieser Lösung einnimmt. Durch die Architektur bedingt kann sich ein Sternpolymer in Lösung weniger aufweiten als ein lineares Polymer mit gleicher Molmasse unter identischen Bedingungen und leistet somit einen geringeren Beitrag zur Viskositätserhöhung. Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem Einsatz der Sternpolymere ergibt, ist die Tatsache, dass das Polymer mit mehreren Armen auf der Oberfläche verankert sein kann. Wenn ein Arm abgeschert wird, verbleibt das Molekül trotzdem an der Oberfläche, so dass der Schmierfilm erhalten bleiben kann.
Die neuartigen Sternpolymere wurden schließlich im Labor synthetisiert und die Synthese wurde auf den Kilogrammmaßstab hochskaliert, so dass sie vom Projektpartner Fuchs Lubricants Germany GmbH hinsichtlich ihres Potenzials zur Reibminderung in Schmierstoffen getestet werden konnten. Das Ergebnis war erstaunlich: Sowohl in Schmierstoff-Modellformulierungen als auch in vollformulierten Motorenölen wurden deutlich geringere Reibkoeffizienten gemessen, wenn diese das neue Sternpolymer enthielten.
Molekulardynamische Simulationen im Fraunhofer IWM zum Verhalten der Polymere auf der Oberfläche und im Schmierstoff lieferten wertvolle Beiträge zum Verständnis deren Wirkweise.
StribeckKurven von Schmierstoff-Modellformulierungen mit neuem Sternpolymer im Vergleich zu solchen, mit kommerziellen Polymeren.
Stribeck-Kurve von Motorenölformulierungen mit und ohne neuem Sternpolymer.
Simulation der Anhaftung eines Sternpolymers an einer polaren Oberfläche.
»Der Griff nach den Stern-Polymeren eröffnet neue Räume für die Schmierstoffwelt.«
Rolf Luther, Fuchs Lubricants Germany GmbH
Förderer und Partner
Die Entwicklung der Sternpolymere wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Projektpartner:
- Fuchs Lubricants Germany GmbH
- Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg